(57)【要約】【課題】簡易な構成で、容器の伸縮拡張の動作と弁からの流れ出しを同時にできる超音波診断装置用ファントムを提供する。【解決手段】所定の液体５が充填され、充填された所定の液体の増減に応じて膨張と収縮が可能な弾性材からなる超音波の伝播が可能な容器部１と、容器部に所定の液体を注入でき、また容器部から所定の液体を吸引できるよう容器部と結合され、所定の液体の注入及び吸引によって容器部内の所定の液体の量を増減させるポンプ部３と、ポンプ部から容器部へ所定の液体を注入するときに開く第１の弁部４ａと、容器部からポンプ部へ所定の液体を吸引するときに開く第２の弁部４ｂとを備える。【選択図】図１a
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体を模擬した超音波診断装置用ファントムであって、
所定の液体が充填され、充填された前記所定の液体の増減に応じて膨張と収縮が可能な弾性材からなる超音波の伝播が可能な容器部と、
前記容器部に前記所定の液体を注入でき、また前記容器部から前記所定の液体を吸引できるよう前記容器部と結合され、前記所定の液体の前記注入及び前記吸引によって前記容器部内の前記所定の液体の量を増減させるポンプ部と、
前記ポンプ部から前記容器部へ前記所定の液体を注入するときに開く第１の弁部と、前記容器部から前記ポンプ部へ前記所定の液体を吸引するときに開く第２の弁部とを、
備える超音波診断装置用ファントム。
【請求項２】
前記容器部を覆い、超音波の伝播が可能な弾性材からなる媒体を更に備える請求項１に記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項３】
前記所定の液体は、超音波を反射する粉体を含有する請求項１又は２に記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項４】
前記容器部は散乱体を含有する請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項５】
前記容器部は、心臓の心室形状を模擬した請求項１から４のいずれか１つに記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項６】
前記弁部は、弁の開閉を補助するばね材を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項７】
前記弁部は、弾性体からなる弁を有する請求項１から５のいずれか１つに記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項８】
前記ポンプ部は、往復運動するアクチュエータとベローズとからなる請求項１から７のいずれか１つに記載の超音波診断装置用ファントム。
【請求項９】
前記アクチュエータは電動シリンダである請求項８に記載の超音波診断装置用ファントム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内に弁から液体が流れ出し、かつ、容器全体が収縮、拡張の動作を行う、心臓を模擬した超音波診断装置用ファントムに関する。
【背景技術】
【０００２】
心臓は、左心室を拡張させて僧坊弁から血液を左心室に入れて、左心室を収縮させて大動脈弁から大動脈に血液を送り出している。このとき、僧坊弁や大動脈弁の開閉による左心室内の血液の流れの様子を超音波で計測する方法として、ドップラー現象を利用したカラーフローという計測法がある。また、心室壁の動きを計測する方法として、組織トラッキング法や位相差トラッキング法などがある。これらの計測方法による計測を行う超音波診断装置の性能を評価する上で、心臓内の血液の流れや心臓壁の動きを模擬した超音波診断装置用ファントムは有用なものである。
【０００３】
心臓を模擬したファントムとして、２枚の膜で心臓壁を模擬して作られた容器に液体を出し入れする手法が知られている（下記の特許文献１を参照）。また、２個の風船の間に多孔性の伸縮性・弾力性を持つプラスチックに液体を入れて心臓壁を表現する手法が知られている（下記の特許文献２を参照）。さらに、２つの固定されたアクリル製の液槽間に弁を設置したファントムが考案されている（下記の特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５３６１０７号公報（要約、図１）
【特許文献２】特開２００５−１７９９７号公報（要約、図１）
【特許文献３】実開昭６０−１４２９６（要約）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の心臓を模擬したファントムにおいては、複数の膜や袋などを使用するため、複雑な構成となっており、またセッティングが煩雑な上、心室壁の動作を評価するだけのものであった。また、２つの固定されたアクリル製の液槽間に設置された弁においては、弁からの流れも調べることができるが、心室の形状変化はないため、弁から収縮（伸縮）・拡張（膨張）する心室に流れ込む様子とは大きく異なるものである。つまり、弁から心室に流れだす流体の動きを正確に表現するためには、弁の動作だけなく、心室壁の伸縮拡張という動きも同時に考慮しなければならない。
【０００６】
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、簡易な構成で、容器部の伸縮拡張の動作と弁からの流れ出しを同時に実現できる超音波診断装置用ファントムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によれば、生体を模擬した超音波診断装置用ファントムであって、所定の液体が充填され、充填された前記所定の液体の増減に応じて膨張と収縮が可能な弾性材からなる超音波の伝播が可能な容器部と、前記容器部に前記所定の液体を注入でき、また前記容器部から前記所定の液体を吸引できるよう前記容器部と結合され、前記所定の液体の前記注入及び前記吸引によって前記容器部内の前記所定の液体の量を増減させるポンプ部と、前記ポンプ部から前記容器部へ前記所定の液体を注入するときに開く第１の弁部と、前記容器部から前記ポンプ部へ前記所定の液体を吸引するときに開く第２の弁部とを、備える超音波診断装置用ファントムが提供される。この構成により、簡易な構成で、容器部の伸縮拡張の動作と弁からの流れ出しを同時に実現できる。
【０００８】
また、超音波診断装置用ファントムにおいて、前記容器部を覆い、超音波の伝播が可能な弾性材からなる媒体を更に備えることは、本発明の好ましい態様である。この構成により、容器部に対して周囲から超音波を照射することができる。
【０００９】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記所定の液体が超音波を反射する粉体を含有することは、本発明の好ましい態様である。この構成により、液体中の粉体で超音波が跳ね返ってくるため、超音波診断装置で液体の流れの計測をするのに必要な超音波信号を得ることができる。
【００１０】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記容器部が散乱体を含有することは、本発明の好ましい態様である。この構成により、容器部の壁内の散乱体で超音波が跳ね返ってくるため、超音波診断装置で壁の動作の計測をするのに必要な超音波信号を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記容器部が心臓の心室形状を模擬したことは、本発明の好ましい態様である。この構成により、前記容器部での液体の流れを、実際の心臓の心室の流れに近づけることができる。
【００１２】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記弁部が弁の開閉を補助するばね材を有することは、本発明の好ましい態様である。この構成により、ばねの力で強制的に弁を閉めることで、逆流を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記弁部が弾性体からなる弁を有することは、本発明の好ましい態様である。この構成により、回転軸受けなどの摺動部なしに弁の開閉動作を行うことができるため、ごみ詰まりによって弁の開閉動作ができなくなることを低減することができる。
【００１４】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記ポンプ部が往復運動するアクチュエータとベローズとからなることは、本発明の好ましい態様である。この構成により、簡易な構成で、気密性があり、容器部内に液体を出し入れ動作ができる。
【００１５】
また、本発明の超音波診断装置用ファントムにおいて、前記アクチュエータが電動シリンダであることは、本発明の好ましい態様である。この構成により、簡易な構成で、正確な動作ができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の超音波診断装置用ファントムは、簡易な構成で、容器部の伸縮拡張の動作と弁からの流れ出しを同時に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１ａ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの断面図（上面）
【図１ｂ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの断面図（側面）
【図２】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの断面図（１／４部分カット）
【図３】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの容器部の斜視図
【図４ａ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの弁部の斜視図（弁が閉じている場合）
【図４ｂ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの弁部の斜視図（弁が開いている場合）
【図５ａ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの弁部の斜視図（弁が閉じている場合）
【図５ｂ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの弁部の斜視図（弁が開いている場合）
【図６ａ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの弁部の斜視図（弁が閉じている場合）
【図６ｂ】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの弁部の斜視図（弁が開いている場合）
【図７】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの断面図（上面）（容器部に液体が流れ込んでいる）
【図８】本発明の実施の形態における超音波診断装置用ファントムの断面図（上面）（容器部から液体が流れ出している）
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態の超音波診断装置用ファントムについて、図面を用いて説明する。本発明の実施の形態の超音波診断装置用ファントムを図１から図８に示す。図１ａ、図１ｂと図２において、超音波を伝播する材質の弾性体の媒体２の中に、超音波を伝播する材質の弾性体からなる容器部１が設置されている。なお、容器部１はチャンバと呼ばれることもある。容器部１の内部は液体５で満たされている。
【００１９】
また、超音波診断装置用ファントムは、容器部１の内部に液体５を送るポンプ部３と、ポンプ部３と容器部１の間に設置された、液体５を互いに逆方向に通す方向性のある２つの弁部４ａ、４ｂとを有する。ポンプ部３は、往復運動するアクチュエータとして電動シリンダ１０と連結部９とベローズ８とボディ部７とから構成される。ボディ部７の内部には、ベローズ８と弁部４ａ、４ｂに液体５を送る流路７ａが設置されている。
【００２０】
容器部１の内部とボディ部７の内部の流路７ａとベローズ８の内部には、液体５が充填されており、液体５が外部に漏れないように封止された構造になっている。なお、弁部４ａと４ｂは、流れの方向性があるものであれば同一でもよく、その場合は向きを互いに逆に設置することになる。なお、ベローズ８は、一般に蛇腹とも呼ばれ、伸縮性と気密性があり、ベローズ８の材質はポリウレタンゴムやシリコーンゴムなどの樹脂が望ましい。なお、ポンプ部３は、液体５を弁部４ａと４ｂを通して容器部１の内部に出し入れできる機構であれば任意の構成でよい。
【００２１】
ポンプ部３の往復運動するアクチュエータは、リニアモータ、空気圧式、油圧式などでも構わないが、簡易な構成にも関わらずパソコンやコントローラによって正確に動作制御できる電動シリンダが望ましい。なお、電動シリンダとは、例えばボールねじとＡＣサーボモータで構成されるものであり、１軸方向に往復動作させることができる。なお、液体５は、血液の粘度に近づけたグリセリン水溶液などが好ましく、超音波を反射するシリコーンやポリスチレンやポリエチレンやポリプロピレンなどの粉体を含有してもよい。超音波を反射するとは、伝達媒体の音響インピーダンスに対して、粉体の音響インピーダンスが異なることでもある。
【００２２】
なお、容器部１と媒体２の材質は、例えばポリウレタン、シリコーン、ポリビニルアルコール、アクリルアミド、スチレン系エラストマなどがある。しかし、ポリビニルアルコールやアクリルアミドのような水を含む材質は、水分が蒸発するような経時変化を起こしやすいため、長期にわたって使う場合には適さない。
【００２３】
ポリウレタンやスチレン系エラストマは、可塑剤やプロセスオイルなどを混ぜて硬さを調節してもよい。なお、媒体２の材質は、容器部１の材質と同じでなくてもよい。また、媒体２の材質は、容器部１の動作の負荷にならない程度に、容器部１の材質より柔らかいことが望ましい。また、媒体２の形状は、容器部１に対して周囲から超音波が届くように、容器部１の周囲を取り囲んでいることが望ましい。また、媒体２の形状は、超音波探触子が当接できるような平面や曲面を有していることが望ましい。
【００２４】
図３は、容器部１の概観を示しており、心臓左心室の形状をしていることが望ましい。このとき、容器部１の壁の厚みは、心臓左心室の壁の厚みに相当する。なお、容器部１の壁は、散乱体を含有していてもよい。散乱体は、グラファイト、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ガラス、シリカ、タルクなどの粉体や、ポリエステルやナイロンなどの繊維状の材質などでもよい。また、図１ａ、図１ｂ及び図２において、超音波診断装置用ファントムを水平に設置しているが、垂直に立ててもよく、設置方向が限定されるものではない。
【００２５】
図４ａ、図４ｂ、図５ａ、図５ｂ、図６ａ、図６ｂは、弁部４ａ、４ｂの一例を示したものである。図４ａ、図４ｂは弁ベース部１０１に設置された２つの回転支持部１０３に、それぞれ弁部材１０２が取り付けられている。弁部材１０２は、回転支持部１０３を中心に回転動作し、弁の開閉動作を行うことができる。２枚の弁部材１０２は、ばね材１０４により、回転支持部１０３を軸にして、閉じる方向に力又はトルクがかかっている。図４ａの矢印の向きに液体５が流れてきた場合は、２つの弁部材１０２は閉じることになる。
【００２６】
一方、図４ｂの矢印の向きに液体５が流れてきた場合は、２つの弁部材１０２は開くことになる。このように液体５を通す方向性がある。また、ばね材１０４により弁部材１０２は、液体５の流れがない場合には、図４ａのように閉じることになる。なお、ばね材１０４は、例えばねじりばねなどである。また、２枚の弁に構成される弁部４ａ、４ｂは、人間の心臓の左心室にある僧坊弁に相当する。
【００２７】
図５ａ、図５ｂは、３枚弁での構成であり、弁ベース部１０１に設置された３つの回転支持部１０３に、それぞれ弁部材１０２が取り付けられている。弁部材１０２は、回転支持部１０３を軸に回転動作し、弁の開閉動作を行うことができる。３枚の弁部材１０２は、ばね材１０４により、回転支持部１０３を中心にして、閉じる方向に力又はトルクがかかっている。動作は、図４ａ、図４ｂの場合と同様である。なお、ばね材１０４は、例えばねじりばねなどである。また、３枚の弁に構成される弁部４ａ、４ｂは、人間の心臓の左心室にある大動脈弁に相当する。
【００２８】
図６ａ、図６ｂは、２枚の弾性体の弁部材１０５が弁部材固定部１０６で弁ベース部１０１に取り付けられている。弁部材１０５は、弁部材固定部１０６から弾性変形することができるため、図４ａ、図４ｂと図５ａ、図５ｂに示された回転支持部１０３などの回転軸受けの摺動部なしに、弁の開閉動作を行うことができるため、ごみ詰まりによって弁の開閉動作ができなくなることを低減することができる。図６ａの矢印の向きに液体５が流れてきた場合は、２つの弁部材１０５は閉じることになる。
【００２９】
一方、図６ｂの矢印の向きに液体５が流れてきた場合は、２つの弁部材１０５は弾性変形して開くことになる。このように液体５を通す方向性がある。弁部材１０５は、ゴム材であり、例えばシリコーンゴムやウレタンゴムなどである。図６ａ、図６ｂでは、弁部材１０５は２枚であるが２枚に限ったものではない。また、弁部材１０５は、図６ａに図示されたように、あらかじめ閉じる状態になるように弁部材固定部１０６で弁ベース部１０１に取り付けておけば、液体５の流れがないときには自然に閉じることになる。
【００３０】
なお、弁部材１０５材質は、超音波を伝播する材質が好ましく、例えばポリウレタンなどがある。また、２枚の弁に構成される弁部４ａ、４ｂは、人間の心臓の左心室にある僧坊弁に相当する。
【００３１】
以上のように構成された超音波診断装置用ファントムについて、図７及び図８を用いてその動作を説明する。図７において、電動シリンダ１０を図７中の矢印の向きに動作させると、ベローズ８内の液体５がボディ部７の流路７ａを通って弁部４ａと４ｂに押し出される。このとき、弁部４ｂは、開閉の向きが逆のために開かず、弁部４ａだけが開くため、弁部４ａから容器部１内に液体５が流れ込むことになる。容器部１の内部に液体５の量が増えるため、容器部１は膨らむことになる。このとき、容器部１の壁の厚みは薄くなっている。
【００３２】
図８において、図７とは逆に、電動シリンダ１０を図８中の矢印の向きに動作させると、弁部４ａは、開閉の向きが逆のために開かず、弁部４ｂだけが開くため、弁部４ｂからボディ部７の流路７ａ内に液体５が流れ出すことになる。このとき、容器部１の内部の液体５の量が減るため容器部１は縮むことになる。このとき、容器部１の壁の厚みは厚くなっている。
【００３３】
このように、電動シリンダ１０を往復運動させることで、容器部１の内部に弁部４ａから液体５を送り出して容器部１を膨らませ、弁部４ｂから液体５を抜き出すことで容器部１を縮ませる動作を交互に行うことができる。この動作は、実際の左心室の挙動を再現するものである。また、媒体２は超音波を伝播する材質の弾性体の媒体であるため、超音波診断装置の超音波探触子を媒体２に当接させることで（図示は省略）、超音波探触子から出された超音波で容器部１の壁と内部の液体５で反射した超音波を超音波探触子で受け取ることができる。
【００３４】
また、液体５には超音波を反射する粉体が含有されており、超音波の反射信号が返ってくるため、超音波診断装置で流体５の流れをカラーフロー表示することができる。なお、ベローズ８の断面積をＳ０、電動シリンダ１０の動作速度をＶ０、弁部４ａの断面積をＳ１、弁部４ａでの液体５の平均流速をＶ１とすれば、流体の連続の式から、Ｓ０×Ｖ０＝Ｓ１×Ｖ１と表される。これから、弁部４ａでの液体５の平均流速Ｖ１はＶ１＝Ｓ０×Ｖ０÷Ｓ１となり、電動シリンダ１０の動作速度Ｖ０を変えることで、弁部４ａでの液体５の平均流速Ｖ１を任意に設定することができる。
【００３５】
このことは、容器部１内への流体５の流れのカラーフロー表示を検証する上で有益な評価パラメータとなる。また、容器部１の内部に流れ込んだ液体５の流れの分布は、容器部１の形状に影響を受ける。実際の心臓での血液の流れ分布により近づけるためには、容器部１は心臓左心室の形状をしている必要がある。よって、容器部１は、心臓左心室の形状を模擬しているため、実際の心臓での血液の流れ分布に近づけることができる。
【００３６】
また、容器部１の壁は、散乱体が含有されているため、一連の動作の中で壁の動きや壁内の歪みを、超音波診断装置の組織トラッキング法や位相差トラッキング法などで計測することができる。
【００３７】
また、電動シリンダ１０の往復動作中に液体５の流れる向きが変わるときに、弁部４ａと４ｂのばね材１０４により強制的に弁部４ａと４ｂは閉じるため、弁部４ａと４ｂでの逆流を防ぐことができる。このような本発明の実施の形態によれば、簡易な構成で、容器の伸縮拡張の動作と弁からの流れ出しを同時にできる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の超音波診断装置用ファントムは、簡易な構成で、容器の伸縮拡張の動作と弁からの流れ出しを同時にできるため、容器内に弁から液体が流れ出し、かつ容器全体が収縮、拡張の動作を行う、心臓を模擬した超音波診断装置用ファントムなどに有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１  容器部
２  媒体
３  ポンプ部
４ａ、４ｂ  弁部
５  液体
６  ベース部
７  ボディ部
７ａ  流路
８  ベローズ
９  連結部
１０  電動シリンダ
１０１  弁ベース部
１０２  弁部材
１０３  回転支持部
１０４  ばね材
１０５  弾性体の弁部材
１０６  弁部材固定部
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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